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密 級：
畢業(yè)設(shè)計(論文)
人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗機(jī)機(jī)械傳動部分
的研制(上置式)
A HIP JIONT TO SIMULATE
TESTING MACHINE'S DEVELOPMENT
(ON SETS AT THE TYPE)
學(xué)生姓名
黃清朋
學(xué)院名稱
機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)名稱
機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
指導(dǎo)教師
黃傳輝
2008年
6月
2日
徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計
徐州工程學(xué)院學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明
本人鄭重聲明： 所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用或參考的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)注。
本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。
論文作者簽名： 日期： 年 月 日
徐州工程學(xué)院學(xué)位論文版權(quán)協(xié)議書
本人完全了解徐州工程學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：本校學(xué)生在學(xué)習(xí)期間所完成的學(xué)位論文的知識產(chǎn)權(quán)歸徐州工程學(xué)院所擁有。徐州工程學(xué)院有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文的紙本復(fù)印件和電子文檔拷貝，允許論文被查閱和借閱。徐州工程學(xué)院可以公布學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容提交至各類數(shù)據(jù)庫進(jìn)行發(fā)布和檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。
論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名：
日期： 年 月 日 日期： 年 月 日
摘要
本課題是對人體髖關(guān)節(jié)模擬試驗機(jī)機(jī)械傳動部分的研制。試驗機(jī)的工作原理是將股骨頭和髖臼部件試樣按照其正常位置安裝于試驗臺上，通過試驗裝置使兩者之間產(chǎn)生規(guī)定的隨時間變化的負(fù)載及相對角運(yùn)動。該機(jī)械設(shè)計時考慮的主要因素是使其在實驗室環(huán)境中能夠正確模擬人體髖關(guān)節(jié)的實際運(yùn)動工況，以使試件在試驗過程中產(chǎn)生的摩擦機(jī)理、磨損形式與實際使用條件下相一致，從而可以準(zhǔn)確、可靠地測試人工關(guān)節(jié)材料的生物摩擦學(xué)特性參數(shù)，為臨床應(yīng)用提供指導(dǎo)性試驗數(shù)據(jù)。根據(jù)以上要求設(shè)計出試驗機(jī)的總裝配圖。該試驗機(jī)要求的最大試驗載荷為1t，要求主軸轉(zhuǎn)速為60rpm。假設(shè)作用在股骨頭頭部的載荷為1t，則可以算出最大阻力。選則直徑為50mm的股骨頭，求出最大扭矩，由此確定電機(jī)的功率從而計算出最小軸徑。根據(jù)最小軸徑初選各個零件的尺寸。通過校核確認(rèn)其安全以確保試驗機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時通過聯(lián)軸器帶動主軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動固定在主軸軸端的偏心輪轉(zhuǎn)動，試件座安裝在擺軸上和擺軸一起饒中心軸線轉(zhuǎn)動。使得由關(guān)節(jié)球支架固定在試件座上的關(guān)節(jié)球頭和髖臼試件之間產(chǎn)生摩擦，從而達(dá)到試驗的目的。其中髖臼試件由骨水泥固定在髖臼座上，沖擊載荷由液壓缸提供作用于自定心軸上，通過髖臼支架最終作用在關(guān)節(jié)球頭上，加上關(guān)節(jié)球頭隨試件座繞中心線轉(zhuǎn)動。這樣實現(xiàn)模擬人體髖關(guān)節(jié)的實際運(yùn)動，使其產(chǎn)生的摩擦機(jī)理、磨損形式與實際使用條件下相一致，以達(dá)到設(shè)計該試驗機(jī)的初衷。
關(guān)鍵詞：關(guān)節(jié)試驗機(jī) ;模擬試驗 ;人體髖關(guān)節(jié) ;摩擦機(jī)理
Abstract
A hip simulator had been designed and manufactured in this study. The principle of the simulator is fit the stock bone and the part test specimen to its normal position in the test platform, causing the variation load changing with the time and the relative angular motion between them through the test equipment. The primary factor which this machine design considered is whether it can simulate the human body coxa correctly in the laboratory environment, so that the friction mechanism, the attrition form of the test sample which produces in the testing with the actual exploitation conditions under consistent, thus may be accurate, reliably test the biological friction of the artificial joint material, provides the guidance tentative data for the clinical practice. Designs the testing machine according to the above request the assembly drawing. The biggest experimental load of this testing machine requests is 1t, the main axle rotational speed is requests 60rpm. The supposition function in the thighbone leader's department load is 1t, then may figure out the biggest resistance. Elects then the diameter is the 50mm stock bone, extracts the maximum torque, from this determines the electrical machinery the power thus to calculate the smallest axle diameter. According to smallest axle diameter primary election each components size. Through the examination confirmed its security by guarantees the testing machine normal work. The electrical machinery revolves when revolves through the shaft coupling impetus main axle, thus leads fixes in the main axle axial-tab terminal eccentric rotation, the test sample place installs on the pendulum shaft and the pendulum shaft forgives the central axis rotation together. Causes to fix by the joint ball support in the test sample place the joint ball and between the acetabulum test sample has the friction, thus achieves experimental the goal. Acetabulum test sample fixes by the bone cement in the acetabulum place, the impact load provides the function by the hydraulic cylinder on the self-centering axis, finally affects through the acetabulum support on joint ball, in addition joint ball circles the middle line rotation along with the test sample place. Like this realizes the simulation human body coxa proper motion, causes the friction mechanism, the attrition form which it produces with the actual exploitation conditions under to be consistent, by achieved designs this testing machine the original intention.
Keywords: hip simulator simulative test hip jiont wear mechanism
II
徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計
目 錄
1 緒論 1
1.1 機(jī)械智能 1
1.1.1 機(jī)械智能的應(yīng)用 1
1.1.2 本設(shè)計原理 1
1.2 模擬人體關(guān)節(jié)的發(fā)展史 1
1.3 試驗機(jī)的現(xiàn)實意義 2
2 方案 3
2.1髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動分析 3
2.1.1人體髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 3
2.1.2 髖關(guān)節(jié)運(yùn)動特性分析 4
2.1.3人工髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 5
2.2 方案的提出 6
2.2.1方案一： 6
2.3方案二 7
2.4 方案的選擇： 8
2.5 設(shè)計方案 8
2.6 機(jī)械傳動部分的運(yùn)動特性分析 10
2.7磨損量的測定及磨損率的計算 12
2.7.1磨損量的測定 12
2.7.2 臨床磨損率的計算 13
2.7.3磨損因數(shù)的計算 13
2.8溫控裝置的工作原理 15
3 設(shè)計計算過程 16
3.1初選電機(jī)功率 16
3.2主傳動軸的設(shè)計 16
3.2.1選擇軸的材料 16
3.2.2初步確定軸的最小直徑 16
3.2.3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 16
3.2.4軸上零件的周向定位 17
3.2.5確定軸上倒角 17
3.3.2初步確定軸的最小直徑 18
3.4液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計 18
3.5 裝配圖及主要零件圖設(shè)計 19
3.5.1 裝配圖草圖 19
3.5.2零件圖草圖 20
4 零件校核 21
4.1求軸上載荷 22
4.2校核軸的強(qiáng)度 22
4.2.1畫受力簡圖 22
4.2.2求作用在軸上的支反力 22
4.2.3校核軸的強(qiáng)度 23
4.3主動軸上軸承的校核 24
4.4擺軸的校核 25
4.5擺軸上軸承的校核 26
結(jié)論 28
致 謝 29
參考文獻(xiàn) 30
32
1 緒論
1.1 機(jī)械智能
1.1.1 機(jī)械智能的應(yīng)用
機(jī)械智能化是21世紀(jì)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的一個重要發(fā)展方向。這里所說的“智能化”是對機(jī)器行為的描述，是在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動力學(xué)等新思想、新方法，模擬人類智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標(biāo)。各種人工智能工具和計算智能方法在制造中的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了制造智能的發(fā)展。一類基于生物進(jìn)化算法的計算智能工具，在包括調(diào)度問題在內(nèi)的組合優(yōu)化求解技術(shù)領(lǐng)域中，受到越來越普遍的關(guān)注，有望在制造中完成組合優(yōu)化問題時的求解速度和求解精度方面雙雙突破問題規(guī)模的制約。制造智能還表現(xiàn)在：智能調(diào)度、智能設(shè)計、智能加工、機(jī)器人學(xué)、智能控制、智能工藝規(guī)劃、智能診斷等多方面。
1.1.2 本設(shè)計原理
本設(shè)計是根據(jù)人類行走時髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動特點，結(jié)合人工關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)特征研制一種能正確模擬髖關(guān)節(jié)運(yùn)動的實驗機(jī)械。該機(jī)械設(shè)計時考慮的主要因素是使其在實驗室環(huán)境中能夠正確模擬人體髖關(guān)節(jié)的實際運(yùn)動工況，以使試件在實驗過程中產(chǎn)生的摩擦機(jī)理、磨損形式與實際使用條件下相一致，從而可以準(zhǔn)確、可靠地測試人工關(guān)節(jié)材料的生物摩擦學(xué)特性參數(shù),為臨床應(yīng)用提供指導(dǎo)性實驗數(shù)據(jù)
1.2 模擬人體關(guān)節(jié)的發(fā)展史
隨著人類社會的發(fā)展與進(jìn)步，人的生命價值被廣泛認(rèn)同。由疾病、事故和戰(zhàn)爭等原因?qū)е麓罅咳梭w骨骼病變和損傷，使得許多人成為殘疾而失去基本生活能力，給病人的家庭及社會都帶來極大的影響和沉重的負(fù)擔(dān)。為減輕病人的痛苦，提高他們的生活質(zhì)量，醫(yī)學(xué)界一直致力于解決人體骨骼的材料、成型、植入和再生性的問題。目前骨科學(xué)主要通過兩種方法解決骨缺損的修復(fù)問題，一是通過人身自身的生物機(jī)能進(jìn)行骨骼的再生或植入帶有骨生長因子的小塊異種骨誘惑導(dǎo)骨生長。這類方法效果較好，但時間長，見效慢，只適合于小塊骨缺損的修復(fù)。另一種方法是用人造生物材料（金屬、塑料、陶瓷）制成替代骨植入人體，以解決大塊缺損骨骼的修復(fù)。1963年英國曼徹斯特人John Charnley首先報道全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)治療類風(fēng)濕性髖關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎。他利用不銹鋼制作22.25mm直徑的股骨頭，以聚四氟乙烯（PTFE）制作髖臼，聚甲基丙稀酸甲酯（骨水泥）固定，形成Charnley型低摩擦全髖關(guān)節(jié)假體，奠定了現(xiàn)代人工關(guān)節(jié)置換術(shù)的基礎(chǔ)。自此以后，人工關(guān)節(jié)置換技術(shù)發(fā)展迅速，日益成為治療關(guān)節(jié)傷痛，重建關(guān)節(jié)功能的重要手段。目前，全世界每年因各種疾病需要更換關(guān)節(jié)的人數(shù)高達(dá)4000萬～6000萬人，僅全髖關(guān)節(jié)置換就達(dá)80萬例。其中在關(guān)節(jié)炎晚期治療、外傷致殘和骨瘤切除手術(shù)中，人工關(guān)節(jié)置換術(shù)已成為一項常規(guī)外科手術(shù)。
隨著人類社會步入高齡化階段，各種與高齡有關(guān)的關(guān)節(jié)疾病，如大腿骨骨折、關(guān)節(jié)炎等病癥，將會大量發(fā)生，因此對人工關(guān)節(jié)的需求也會日益增加。以日本為例，1993 年人工關(guān)節(jié)的需求量為 10.879 萬件，1997 年已迅速上升到 17.09 萬件，其整形外科用植入物市場的年增長率為 7%~8%。我國人口眾多，且部分地區(qū)生活條件相對較差，關(guān)節(jié)疾病的發(fā)病率高于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家，是世界上人工關(guān)節(jié)最大市場之一。據(jù)我國民政部門報告，目前僅肢體不自由患者就達(dá) 1500 萬人，其中殘疾約 780 萬人，全國骨缺損和骨損患者近 300 萬人，且隨著我國社會老齡化的到來，這一數(shù)字還有上升的趨勢。因此，加強(qiáng)研制人工關(guān)節(jié)置換技術(shù)，提高置換關(guān)節(jié)的使用壽命，是一項十分迫切的任務(wù)。
1.3 試驗機(jī)的現(xiàn)實意義
人工關(guān)節(jié)是模擬人體關(guān)節(jié)制成的植入性假體，以代替病變或損傷的關(guān)節(jié)并恢復(fù)其功能。人工關(guān)節(jié)的研制、開發(fā)是一門跨領(lǐng)域的交叉學(xué)科，涉及到材料學(xué)、力學(xué)、生物學(xué)、成型技術(shù)和醫(yī)療等多門學(xué)科的知識，需要多方面的科研人員不斷探索。其中，對人工關(guān)節(jié)生物摩擦學(xué)特性的研究由于直接關(guān)系到置換關(guān)節(jié)的使用質(zhì)量和臨床壽命而備受人矚目。人體關(guān)節(jié)屬于身體活動的連接機(jī)構(gòu)，接觸界面間必然發(fā)生相對滑動，因此會產(chǎn)生摩擦、磨損和潤滑等摩擦學(xué)問題。近期的研究工作已證明人工x`關(guān)節(jié)磨損時產(chǎn)生的磨損顆粒與置換關(guān)節(jié)的無菌性松動有直接關(guān)系。因此，積極開展人工關(guān)節(jié)生物摩擦學(xué)特性方面的研究，掌握置換關(guān)節(jié)材料在生物機(jī)體環(huán)境內(nèi)的摩擦磨損行為規(guī)律，在人工關(guān)節(jié)的開發(fā)中引入摩擦學(xué)設(shè)計（包括基于生物力學(xué)的關(guān)節(jié)配副載荷最小化研究、假體固定的微動摩擦學(xué)行為研究和關(guān)節(jié)材料磨損顆粒生成機(jī)理及有效識別等），對于提高人工關(guān)節(jié)的使用質(zhì)量，延長其臨床壽命和減輕患者痛苦具有重要的現(xiàn)實意義。
2 方案
自從第一例 Charnley 型低磨損人工髖關(guān)節(jié)運(yùn)用于臨床實際以來，人工關(guān)節(jié)置換技術(shù)迅速發(fā)展。醫(yī)學(xué)實踐表明，關(guān)節(jié)材料性能及其生物摩擦學(xué)特性對于關(guān)節(jié)使用質(zhì)量及臨床壽命起著決定性的作用。因此，人們在這方面開展了大量的研究工作。這為提高人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)的成功率、延長置換關(guān)節(jié)的使用年限提供了強(qiáng)有力的理論支持和技術(shù)保障。從臨床醫(yī)學(xué)來看，人工關(guān)節(jié)作為一種植入器官，其制作材料一般應(yīng)滿足以下幾點要求：
①、生物相容性好。要求人工關(guān)節(jié)材料和人體組織接觸后，在材料－組織界面發(fā)生一系列相互作用后最終被人體組織所接受，且材料對人體的正常生理功能無不良影響，無毒，無排異反應(yīng)；
②、生物力學(xué)相容性好。植入材料和所處部位的生物組織彈性形變特性要相匹配，在負(fù)載情況下，人工關(guān)節(jié)假體與其接觸的組織所發(fā)生的形變要彼此協(xié)調(diào)；
③、生物結(jié)合性能好。要求人工關(guān)節(jié)材料與周圍骨組織結(jié)合良好，使用過程中不發(fā)生相對移動和下沉；
④、材料要具有一定的可降解性，可以逐漸被人體再生骨組織所替代；
⑤、優(yōu)良的生物摩擦學(xué)性能。要求材料的摩擦系數(shù)低，耐磨損能力強(qiáng)，磨損顆粒生成率低，以保證置換關(guān)節(jié)有較長的臨床壽命；
⑥、良好的耐腐蝕、耐疲勞性能。要求植入假體在體內(nèi)所發(fā)生的組織反應(yīng)不引起材料的劣化，反復(fù)承受交變應(yīng)力不會引起材料的破損。人們最早曾使用牙托粉、聚丙烯、有機(jī)玻璃等材料制作人工關(guān)節(jié)，但這些材料強(qiáng)度低，易折斷，生物相容性差，在臨床使用中難以保證置換關(guān)節(jié)的使用質(zhì)量。其后改用不銹鋼（316L）。不銹鋼雖然強(qiáng)度、硬度較高，能滿足關(guān)節(jié)負(fù)重的要求，但其比重大，約為人體骨骼比重的 2 倍，且受體液作用時會出現(xiàn)腐蝕和斷裂，近年來隨著材料科學(xué)的發(fā)展、新型人工關(guān)節(jié)材料的出現(xiàn)已較少采用。目前在臨床中主要采用鈦合金、生物陶瓷及各種復(fù)合材料來制作人工關(guān)節(jié)。
2.1髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動分析
2.1.1人體髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)
髖關(guān)節(jié)位于人體中部，是人體中最重要的關(guān)節(jié)之一。圖 2-1 給出人體髖關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡圖。
圖2-1 人體髖關(guān)節(jié)
解剖學(xué)表明，髖關(guān)節(jié)可以圍繞以股頭為中心的無數(shù)軸運(yùn)動（臨床醫(yī)學(xué)為研究方便，規(guī)定了水平、垂直、前后 3 個運(yùn)動軸）。為了完成支持體重和負(fù)重條件下運(yùn)動這兩個基本功能同時又具備必要的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)上呈杵臼關(guān)節(jié)。髖臼及其臨近結(jié)構(gòu)可劃分為前柱、后柱兩個部分：前柱（即髂恥柱）由髂嵴前上方斜向前內(nèi)下方，經(jīng)恥骨支止于恥骨聯(lián)合，分髂骨部、髖臼部、恥骨部三段。后柱（即髂坐柱）由坐骨大切跡經(jīng)髖臼中心至坐骨結(jié)節(jié)，包括坐骨的垂直部分及坐骨上方的髂骨。后柱內(nèi)側(cè)面由坐骨體內(nèi)側(cè)的四邊形區(qū)域構(gòu)成，稱四方區(qū)。髖臼前、后兩柱呈60°相交，形成拱形結(jié)構(gòu)，橫跨于前后兩柱之間，是髖臼的主要負(fù)重區(qū)，稱臼頂，又稱負(fù)重頂，約占髖臼的 2/5，由髂骨下部構(gòu)成，厚而堅強(qiáng)。髖臼呈半球形深凹，直徑約為 3.5mm，與下肢股骨頭相關(guān)節(jié)。髖臼邊緣的關(guān)節(jié)盂唇可使髖臼加深加寬，并使臼口變小，使髖臼包容股骨頭的一半以上。在髖臼表面上有一層約厚 2mm 的透明軟骨，呈半月形分布于髖臼的前、后、上壁。軟骨的組成中固態(tài)物質(zhì)占 20%～40%，其余為水。固態(tài)物質(zhì)中膠原纖維約占 60%，蛋白多糖占 40%，軟骨細(xì)胞占 2%。關(guān)節(jié)軟骨的這種多相結(jié)構(gòu)使得它在載荷之下呈現(xiàn)粘彈性響應(yīng)，在外界力作用下發(fā)生蠕變和應(yīng)力松馳，從而保護(hù)髖關(guān)節(jié)免受沖擊。髖臼中央無關(guān)節(jié)軟骨覆蓋的臼窩由哈佛森腺充填，它可隨關(guān)節(jié)內(nèi)壓力的培養(yǎng)而被擠出或吸入，從而維持關(guān)節(jié)內(nèi)壓力的平衡。髖關(guān)節(jié)周圍包圍著強(qiáng)大的韌帶及豐厚的肌肉，使得該關(guān)節(jié)穩(wěn)定性較強(qiáng)。正常情況下髖關(guān)節(jié)的最大活動度是在矢狀面上，屈曲幅度可達(dá) 0～140°，伸展 0～15°；在冠狀面上能外展 0～45°，內(nèi)收 0～30°；在橫截面上，當(dāng)髖關(guān)節(jié)屈曲時，能夠外旋 0～45°，內(nèi)旋 0～50°。
2.1.2 髖關(guān)節(jié)運(yùn)動特性分析
由于人體下肢運(yùn)動的多樣性（走、跑、跳等），使得髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動呈現(xiàn)出很強(qiáng)的復(fù)雜性。由上一節(jié)解剖學(xué)分析知，股骨頭根據(jù)運(yùn)動需要，可在髖臼中圍繞其球心向任何方向轉(zhuǎn)動。因此，僅就人體運(yùn)動的不確定性而言，髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動軌跡是不可能用常規(guī)數(shù)學(xué)方法表達(dá)的?？紤]到關(guān)節(jié)置換病人的特殊性，此處僅討論人體正常行走時股骨頭在髖臼中的運(yùn)動軌跡。R.C.Johnston、J.L.Smidt 等的研究結(jié)果表明，人體正常行走時，髖關(guān)節(jié)在一個步態(tài)中的主要運(yùn)動角度變化如圖 2-2 所示。FE 角（Flexion-extension）的變化幅度為 0～46°，AA 角（Abduction-adduction）和 IER 角（Internal-external rotation）的變化幅度同為 0～12°。FE 角和 AA 角的相位相差π/2。在足跟離地前 0.1T 時，關(guān)節(jié)彎曲度達(dá)到最大；腳尖離地前 0.1T 時關(guān)節(jié)拉伸度達(dá)到最（T為步態(tài)周期，單位：秒）。V.Saikko、O.Cabonius 等根據(jù)圖 2-2 所示運(yùn)動曲線，利用計算機(jī)模擬技術(shù)對髖關(guān)節(jié)摩擦面上隨機(jī)選取點的運(yùn)動軌跡進(jìn)行了相應(yīng)計算，其結(jié)果如圖 2-3 所示?？梢钥闯?，這些點的運(yùn)動軌跡很不規(guī)則，大致上呈橢圓形，且軌跡形狀隨選取點在球體上位置的不同而有所變化。這一結(jié)果表明，天然髖關(guān)節(jié)間的相對運(yùn)動為交叉狀、多方向性復(fù)合滑動摩擦。
圖2-2 人體步態(tài)運(yùn)動波形圖 圖2-3 選取點的滑動軌跡圖
2.1.3人工髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)
股骨上部大轉(zhuǎn)子與髖骨相支承，承受了人體的大部分重量及人體活動時的大部分載荷。當(dāng)股骨上部發(fā)生創(chuàng)傷時，在臨床骨科醫(yī)學(xué)上，常常采用植入人工髖關(guān)節(jié)來代替原先破損的髖關(guān)節(jié)，以達(dá)到支撐點的目的。圖 2-4 示出了人工髖關(guān)節(jié)的實物照片。與天然髖關(guān)節(jié)相對應(yīng)，人工關(guān)節(jié)也分為股骨球頭和關(guān)節(jié)臼窩。為完成人體必需的運(yùn)動及加工工藝的需要，人工關(guān)節(jié)聯(lián)接部分做成凸球－凹球形式。臨床上常用球頭半徑為 22.25mm、25mm、26mm、28mm、32mm、38mm、42mm等。
圖2-4 人工髖關(guān)節(jié)照片
人工關(guān)節(jié)在體內(nèi)的固定方式分為兩種：骨水泥固定和非骨水泥固定。骨水泥固定時利用甲基丙烯酸甲酯(骨水泥)將人工假體與自然骨粘結(jié)固化后達(dá)到固定目的。非骨水泥固定技術(shù)是通過改進(jìn)假體外形尺寸使之緊密嵌入髓腔或在假體外殼表面上制造出多孔結(jié)構(gòu)，以使宿主骨能夠長入金屬外殼面從而達(dá)到生物學(xué)固定的目的。人工關(guān)節(jié)植入體內(nèi)后，承擔(dān)原人體髖關(guān)節(jié)的功能，其運(yùn)動方式與人體自然髖關(guān)節(jié)基本一致。
2.2 方案的提出
2.2.1方案一：
關(guān)節(jié)頭試件由夾具夾持固定于試驗機(jī)主軸上。試驗時載荷的施加由加載油缸完成。向加載油缸的上腔輸入壓力油，活塞桿將向下移動，并通過花鍵軸帶動關(guān)節(jié)頭試件壓向臼杯試件。利用液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)液壓油的壓強(qiáng)，可滿足試驗時不同載荷要求。臼杯座中可安裝不同規(guī)格（φ20mm～φ50mm）的髖臼試件，并通過組合軸承部件固定在支撐斜板上。裝配有臼杯座的軸即可以圍繞其軸線自由轉(zhuǎn)動，也可利用固定銷將其與支撐斜板聯(lián)接為一體。
根據(jù)固定銷的插入和拔出，關(guān)節(jié)模擬試驗機(jī)可實現(xiàn)兩種不同的運(yùn)動形式：
2.2.1.1多向復(fù)合滑動模式
支撐斜板在電機(jī)驅(qū)動下作勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，防轉(zhuǎn)桿受到試驗機(jī)立柱的阻擋產(chǎn)生反方向阻力，通過軸承固定于支撐斜板上的臼杯座在合力作用下一邊繞試驗機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)，一邊往復(fù)擺動。安裝在臼杯座中的髖臼試件與關(guān)節(jié)頭試件間呈現(xiàn)交叉狀、多方向復(fù)合滑動運(yùn)動。
圖2-5 試驗機(jī)草圖
2.2.1.2旋轉(zhuǎn)方式
將防轉(zhuǎn)桿拆下，裝上螺栓支架，利用支架上的固定銷將臼杯座與支撐斜板固定在一起，支撐斜板在電機(jī)驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)時，安裝在臼杯座中的髖臼試件與關(guān)節(jié)頭試件間作相互旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。臼杯座上裝有潤滑劑罩筒，以容納潤滑液。
2.3方案二
關(guān)節(jié)球頭由夾具固定與試驗機(jī)主軸上，電機(jī)1帶動凸輪轉(zhuǎn)動，凸輪的形狀根據(jù)人髖關(guān)節(jié)運(yùn)動軌跡計算設(shè)計，電機(jī)2帶動小齒輪轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)大齒輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。大齒輪上方為一由兩個部分邊重合的橢圓形軌道，這樣可以比較直觀的模擬現(xiàn)實中人髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動軌跡。試驗機(jī)的最上端承受液壓裝置給予的沖擊載荷。見圖2-6所示。
圖2-6 方案二
2.4 方案的選擇：
由于方案二需要兩個電機(jī)，從節(jié)約資源的角度考慮不宜選擇。且齒輪剪切應(yīng)力較大，由于凸輪的轉(zhuǎn)動使大齒輪不斷的上下運(yùn)動，而小齒輪則是靜止的，因此輪齒之間的摩擦較大，這樣試驗機(jī)的壽命和安全系數(shù)就不會高。方案一由一個電機(jī)帶動，主動軸帶動楔塊轉(zhuǎn)動，裝有人工髖關(guān)節(jié)的試件座則由擺軸固定在楔塊上，這樣的設(shè)計比較合理，避免了較大的摩擦，而且避免了大的計算量。
因此方案一比較合理，選方案一。
2.5 設(shè)計方案
人體關(guān)節(jié)模擬試驗機(jī)是一臺集機(jī)、電、液技術(shù)于一體的專用臺架試驗設(shè)各。該試驗機(jī)設(shè)計時考慮的主要因素是使其在試驗室環(huán)境中能夠正確模擬人體髓關(guān)節(jié)的實際運(yùn)動土況，以使試件在試驗過程中產(chǎn)生的摩擦機(jī)理、磨損形式與實際使用條件卜相一致，從而可以準(zhǔn)確、可靠地測試人土關(guān)節(jié)材料的生物摩擦學(xué)特性參數(shù)，為臨床應(yīng)用提供指導(dǎo)性試驗數(shù)據(jù)。該試驗設(shè)各主要山機(jī)械傳動部分、溫控系統(tǒng)及液壓加載系統(tǒng)組成。該試驗機(jī)由四個相互獨(dú)立的試驗單元組成，每個試驗單元的結(jié)構(gòu)和土作原理都完全一致。為了真實模擬大然關(guān)節(jié)的運(yùn)動土況，試驗時轉(zhuǎn)速小能過高，這樣一來勢必造成試驗時間很長，在多試樣重復(fù)試驗時這一矛盾更為突出。木試驗機(jī)在一個機(jī)架上同時裝配了四個試驗單元，增加了試驗土位，從而大大縮短了試驗時間，同時也為作對比試驗提供了便利。
關(guān)節(jié)頭試件由夾具夾持固定于試驗機(jī)主軸上。試驗時載荷的施加由加載油缸完成。向加載油缸的上腔輸入壓力油，活塞桿將向下移動，并通過花鍵軸帶動關(guān)節(jié)頭試件壓向臼杯試件。利用液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)液壓油的壓強(qiáng)，可滿足試驗時不同載荷要求。臼杯座中可安裝不同規(guī)格（φ20mm～φ50mm）的髖臼試件，并通過組合軸承部件固定在支撐斜板上。支撐斜板在電機(jī)驅(qū)動下作勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，防轉(zhuǎn)桿受到試驗機(jī)立柱的阻擋產(chǎn)生反方向阻力，通過軸承固定于支撐斜板上的臼杯座在合力作用下一邊繞試驗機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)，一邊往復(fù)擺動。安裝在臼杯座中的髖臼試件與關(guān)節(jié)頭試件間呈現(xiàn)交叉狀、多方向復(fù)合滑動運(yùn)動；
圖2-7試驗機(jī)草圖
2.6 機(jī)械傳動部分的運(yùn)動特性分析
多向復(fù)合滑動方式：采用該方式試驗時，偏心輪以恒角速度ω旋轉(zhuǎn)，臼杯座支承軸在其帶動下圍繞主軸軸線作圓錐狀回轉(zhuǎn)，固定在支承軸上的防轉(zhuǎn)桿受機(jī)座限制產(chǎn)生反向阻力，在該力作用下支承 軸除繞主軸軸線回轉(zhuǎn)外還要自轉(zhuǎn)，此時試驗機(jī)的運(yùn)動簡圖可以表示成圖 2-8 所示形式（為分析方便，防轉(zhuǎn)桿與機(jī)座的點接觸形成的Ⅰ級運(yùn)動副用兩個Ⅳ運(yùn)動副及一個Ⅴ運(yùn)動副代替）：
圖2-8 試驗機(jī)運(yùn)動原理圖
由機(jī)械原理知，若某空間運(yùn)動鏈由 N 個構(gòu)件組成，當(dāng)固定其中之一為機(jī)架后，所?；顒訕?gòu)件數(shù)為 n=N－1，如果在組成運(yùn)動鏈時共加入 P1個 I 級副、P2個Ⅱ級副、P3個Ⅲ級副、P4個Ⅳ級副及 P5個Ⅴ級副，則空間運(yùn)動鏈相對于機(jī)架的自由度為：
F≤0 時運(yùn)動鏈不可能產(chǎn)生相對運(yùn)動。對 F＞0 的運(yùn)動鏈，當(dāng)原動件數(shù)小于機(jī)構(gòu)自由度時，構(gòu)件間的相對運(yùn)動是無規(guī)則的；原動件數(shù)大于 F 時，機(jī)構(gòu)不能運(yùn)動；只有當(dāng)原動件數(shù)等于 F 時，構(gòu)件之間才能獲得確定的相對運(yùn)動。分析圖 2-7 可知，該空間運(yùn)動鏈的構(gòu)件數(shù) N＝5，共包括 3 個 V 級副和 2 個IV 級副，因此其自由度為：
F＝6×（5－1）－5×3－4×2＝1
關(guān)節(jié)模擬試驗機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，只有一個原動件，即偏心輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此可知，該空間機(jī)構(gòu)能夠獲得確定的相對運(yùn)動。
盡管從理論上講，有確定相對運(yùn)動的運(yùn)動軌跡可以用數(shù)學(xué)方程來唯一表達(dá)，然而，由于髖關(guān)節(jié)運(yùn)動時所固有的復(fù)雜性，人們在研究摩擦表面的運(yùn)動特性時，往往采用模擬軌跡法或刻痕軌跡法，以達(dá)到簡單、形象地描繪出運(yùn)動軌跡的目的。
本試驗機(jī)從結(jié)構(gòu)原理上看，應(yīng)屬于 BRM（Biaxial rocking motion）型全髖關(guān)節(jié)模擬試驗機(jī)。該類型試驗機(jī)運(yùn)行時主要依靠下試件相對于上試件作往復(fù)式圓弧狀擺動以實現(xiàn)摩擦面間的交叉狀復(fù)合滑動運(yùn)動。在運(yùn)行過程中，下試件摩擦表面上的任一點均相對于水平、垂直二軸作周期性擺動。若以與其中一軸的夾角為FE，與另一軸的夾角為 AA，則摩擦面上任一點的運(yùn)動波形可以表達(dá)成圖 2-9 所示形式：
圖2-9試驗機(jī)的運(yùn)動波形分析
以此運(yùn)動波形為基礎(chǔ)，在摩擦面上隨機(jī)地挑選幾個點計算其運(yùn)動軌跡，模擬結(jié)果如圖 2-10 所示?？梢钥闯?，隨著所分析點在摩擦面上所處位置的不同，其運(yùn)動軌跡相差很大。在球的端部出現(xiàn)一個標(biāo)準(zhǔn)圓周軌跡，該軌跡所對應(yīng)的點恰為臼杯座支承軸軸線與關(guān)節(jié)副對摩表面的交點。因該點位于臼杯試件自轉(zhuǎn)軸線上，在試驗過程中不會因臼杯試件的自轉(zhuǎn)產(chǎn)生水平方向的相對位移，因此其運(yùn)動軌跡為一個標(biāo)準(zhǔn)圓。從該點依次向外，點的軌跡逐漸變成非對稱橢圓形，且隨著與球頂點距離的增大，運(yùn)動軌跡越來越不規(guī)則，當(dāng)點到達(dá)試件邊緣時，其運(yùn)動軌跡變?yōu)椤?”字型。V.Saikko 等為驗證該模擬結(jié)果的正確性，在髖臼試件的不同位置嵌入 17 個硬質(zhì)針頭，并將此試件與關(guān)
節(jié)頭試件一同裝入 BRM 型試驗機(jī)，加載后運(yùn)行一個周期。在顯微鏡下觀察關(guān)節(jié)頭試件的表面劃痕并用墨水描出軌跡。
如圖 2-10 所示。比較圖 2-10、圖 2-11 可發(fā)現(xiàn)，兩種模擬結(jié)果的對應(yīng)性非常好。
圖2-10 BRM關(guān)節(jié)試驗機(jī)運(yùn)動軌跡模擬圖
在自行研制的髖關(guān)節(jié)模擬試驗機(jī)上，采用與 V.Saikko 類似的方法得關(guān)節(jié)摩擦面間的運(yùn)動軌跡如圖 2-11 所示。與圖 2-10、圖 2-11 比較后可看出，它們的運(yùn)動相同。
圖2-11關(guān)節(jié)試驗機(jī)運(yùn)動實測圖
研究資料表明，為了準(zhǔn)確、逼真地再現(xiàn)人體髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動特性，模擬試驗機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)滿足以下兩點要求：1、偶副對摩面在實驗過程中應(yīng)呈交叉狀、多方向性相對滑動運(yùn)動；2、對摩面上任一點的滑動軌跡在運(yùn)動過程中應(yīng)持續(xù)改變。通過以上模擬結(jié)果可知，本試驗機(jī)可以較好地實現(xiàn)這兩種功能。因此，從理論上分析，盡管本試驗機(jī)所提供的運(yùn)動形式與天然髖關(guān)節(jié)相比不盡相同，但它能夠較好地模擬關(guān)節(jié)運(yùn)動的特殊性和復(fù)雜性，并使得在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生的摩擦形式、磨損機(jī)理與天然關(guān)節(jié)一致。
2.7磨損量的測定及磨損率的計算
2.7.1磨損量的測定
磨損量常用的測量方法有稱重法、測長法、表面輪廓法以及光譜法、鐵譜法等。在本試驗中，考慮到試驗機(jī)的具體結(jié)構(gòu)以及本著方便、快捷的原則，采用稱重法測量試樣的磨損質(zhì)量損失。在測試高分子材料的磨損量時，材料的吸水特性對磨損量的測量影響尤其大。表 2-1示出了超高分子量聚乙烯（UHMWPE）試件在一天之中由于吸濕引起的重量變化：
表2-1 UHMWPE在不同時刻的重要變化
可以看出，一天之中由于溫度、濕度的改變導(dǎo)致試件重量發(fā)生了很大變化，從早晨的 45.9088g 至中午的 45.9083g 再到傍晚的 45.9089g，一天之中試件重量的最大改變量達(dá)到 0.6mg。如此大的重量變化對于磨損量的測量極為不利?？梢韵胂?，在關(guān)節(jié)模擬試驗機(jī)上試驗時，由于潤滑介質(zhì)的存在這種影響還將大大加劇。試驗過程中試件由磨損造成的質(zhì)量損失較小，這種由材料吸濕性導(dǎo)致的重量改變完全有可能影響試驗數(shù)據(jù)的測量，甚至將真實試驗數(shù)據(jù)覆蓋。為保證磨損量的測試精度，把材料吸水性引起的測量誤差減至最小，在試驗中采取了“參考試件法”。取一與被測試件材料、形狀完全相同的樣品作為參考試件，稱重后置于與試驗偶副相同的試驗環(huán)境中（相同溫度、相同潤滑液浸泡）。試驗后取下被測試件和參考試件一同置于超聲波清洗器中用蒸餾水清洗 3min，在 80℃烘箱中烘干 40min，然后在干燥器中冷卻至室溫，采用感量為 0.01mg 的BT211D 型電子天平測量試件重量變化。設(shè)參考試件試驗前重量為 Wc1，試驗后為 Wc2，則由試驗環(huán)境導(dǎo)致的材料單位重量的改變量為：
式（2-1）
被測試件與參考試件材料、形狀相同，因此可認(rèn)為二者受試驗環(huán)境影響造成的單位重量改變量一致，如被測試件試驗前重量為 Ws1，則其由試驗環(huán)境導(dǎo)致的重量改變量為：
式（2-2）
在最終計算被測試件的磨損量時，減去Δ2 即可消除試驗環(huán)境改變對試件重量的影響。采用這種處理方式后，可確保試件稱量時環(huán)境因素的一致性，把由材料吸水性等造成的誤差控制在最小范圍內(nèi)。
2.7.2 臨床磨損率的計算
臨床磨損率（Penetration rate）表示了股骨頭每年對人工髖臼所造成磨損程度的大小，對于衡量人工關(guān)節(jié)副的長期療效具有重要意義。臨床磨損率一般通過 X 射線法或臨床解剖測得。J.R.Atkinson、D.Dowson 等人通過長期臨床觀察表明臨床磨損率同髖臼磨損量之間呈線性關(guān)系，因此可通過下式將關(guān)節(jié)模擬試驗機(jī)上所得磨損結(jié)果轉(zhuǎn)化為臨床磨損率：
式（2-3）
式中：P：臨床磨損率（mm/year）；
W：人工髖臼 1 年的磨損量（mg）；
ρ：髖臼材料的密度（g/cm3）；
r：關(guān)節(jié)頭假體的球頭半徑（mm）；
C：髖臼材料的蠕變率（%）。
資料表明，一般情況下在試驗室中進(jìn)行試驗時，關(guān)節(jié)試驗機(jī)運(yùn)行 106cycle 相當(dāng)于關(guān)節(jié)假體在體內(nèi)環(huán)境中運(yùn)行一年。據(jù)此可將試驗結(jié)果換算為臨床磨損率。
2.7.3磨損因數(shù)的計算
磨損因數(shù)（Wear factor）表示了材料在單位載荷（N）、單位滑動距離（m）時的磨損質(zhì)量損失，在比較不同材料的耐磨性時有重要應(yīng)用。一般情況下在試驗室中進(jìn)行試驗時，
磨損因數(shù)可由下式計算：
式（2-4）
式中：k：磨損因數(shù)（mm3N-1m-1）；
W：試驗材料的磨損量（mg）；
ρ：試驗材料的密度（g/cm3）；
L：試驗載荷（N）；
X：相對滑動距離（m）。
用銷－盤式、環(huán)－塊式等標(biāo)準(zhǔn)試驗機(jī)進(jìn)行試驗時，可利用 2-4 式直接計算磨損因數(shù)。但關(guān)節(jié)模擬試驗機(jī)由于其固有的特殊接觸方式（凸球面－凹球面）和運(yùn)動類型（多方向性復(fù)合滑動摩擦），計算時要相對困難一些，必須對 2-4 式進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q。由 2-3 式可得：
式（2-5）
將（2-5）代入（2-4）得：
式（2-6）
式中，N 為一年中人工髖臼所受沖擊載荷的循環(huán)次數(shù)；∫Ldx 表示一次載荷循環(huán)過程中載荷與滑動距離乘積的積分，其物理意義在于表明外部條件對置換關(guān)節(jié)磨損的影響程度。∫Ldx 值的大小與病人體重、關(guān)節(jié)假體所受載荷的循環(huán)特征、關(guān)節(jié)間的有效滑動距離及假體球頭半徑有關(guān)。對 Charnley 型人工關(guān)節(jié)的研究表明：
式（2-7）
式中：B 為病人的體重（N），d 為關(guān)節(jié)頭假體的球頭直徑（m）。
將式 2-7 代入式 2-6 可得關(guān)節(jié)模擬試驗時的磨損因數(shù)為：
式（2-8）
2.8溫控裝置的工作原理
為更好地模擬人工關(guān)節(jié)在體內(nèi)環(huán)境溫度下的摩擦磨損特性，試驗機(jī)裝有恒溫裝置。溫控原理如圖 2-12 所示：
圖2-11 溫度控制模擬圖
試驗機(jī)整體上采用封閉式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部裝有加熱器。試驗開始時，開啟溫控器，交流接觸器處于閉合狀態(tài)，紅外加熱器（800W）與電源接通，以輻射形式提供熱量，使得試驗機(jī)內(nèi)的環(huán)境溫度上升。測溫元件（熱電偶）將機(jī)內(nèi)環(huán)境溫度反饋給溫控器。當(dāng)試驗環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)定數(shù)值時，溫控器控制交流接觸器斷開，加熱器失電。此時處于保溫狀態(tài)。當(dāng)機(jī)內(nèi)環(huán)境溫度低于設(shè)定數(shù)值時，溫控器使得交流接觸器再次閉合，加熱器得電開始工作。實際測試結(jié)果表明，利用該套溫控裝置可使得試驗溫度保持在 37±1℃。
3 設(shè)計計算過程
3.1初選電機(jī)功率
選擇關(guān)節(jié)球頭的直徑為50mm，已知最大試驗載荷為1t，主軸轉(zhuǎn)速為60rpm.。
取摩擦系數(shù)
最大正壓力 F=1000kgX9.8=9800N
因此摩擦力
得出最大扭矩 T=fd=980Xm0.025=24.5N
由公式 n=60rpm
得出 P≥0.15KW
查機(jī)械手冊知，初擬使用Y系列4極電動機(jī)
選用Y801—4，P=0.55KW, n=1390轉(zhuǎn) M=17kg
3.2主傳動軸的設(shè)計
3.2.1選擇軸的材料
選擇軸的材料為45鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,其機(jī)械性能由表查得=60MPa,=640Mpa,=275Mpa,=155Mpa
3.2.2初步確定軸的最小直徑
按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度初步計算軸的最小直徑.
取材料系數(shù)=112
d=11223.4mm.
輸出軸的最小直徑顯然是安裝聯(lián)軸器處軸的直徑，此外，此軸上要求安裝一個平鍵，開有鍵槽應(yīng)放大3%左右，即23.41.03=24.1mm。
經(jīng)圓整后取此軸的最小軸徑為25mm。
3.2.3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
因軸中間安裝軸承，外伸端安裝聯(lián)軸器，故軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計為直徑中間大兩頭小的的階梯軸，外伸端軸徑最小，向內(nèi)逐漸增大。左軸承用軸肩和套筒固定，右軸承用套筒和緊固螺母固定，兩軸承的周向固定采用過盈配合，聯(lián)軸器安裝在軸的右端采用平鍵作周向固定。如下圖所示：
圖3-1 主傳動軸的結(jié)構(gòu)與裝配
根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度，確定軸段E的直徑和長度。輸出軸的最小直徑顯然是安裝在聯(lián)軸器處的直徑=25mm，根據(jù)半聯(lián)軸器長度初步確定=40mm。
3.2.3.1初步選擇滾動軸承
確定C段直徑和長度。因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用，故選用單列圓錐滾子軸承。參照工作要求并根據(jù)=25mm，查表GB297-64，選擇單列圓錐滾子軸承7207E，故=35mm，T=18.25mm,D=72mm,=48mm。
3.2.3.2確定軸段B處直徑和長度
因左端軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位。由手冊上查得7207的定位軸肩高度，因此=43mm，初步確定B端長度為30mm。
3.2.3.3確定軸段D處直徑和長度
因右端軸承采用圓螺母鎖緊，根據(jù)軸承的尺寸要求查表GB812-76初步確定圓螺母為M301.5，d=48mm,m=10mm=30mm，左端開長度為5mm的退刀槽。
3.2.3.4確定軸段A處直徑和長度
A段和偏心輪配合，需靠軸肩進(jìn)行軸向定位，因此初選=35mm，=30mm。
至此已初步確定軸的各段直徑和長度。
3.2.4軸上零件的周向定位
半聯(lián)軸器的周向定位采用平鍵聯(lián)接，由手冊查得平鍵截面b=87，長為28mm，軸槽深t=4mm,轂槽深為3.3mm.同時為保證軸上各零件的良好的對中性，半聯(lián)軸器于軸的配合為H8/f7，偏心輪與軸的配合為H8/js7，滾動軸承與軸的周向定位是借過渡配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為m6。
3.2.5確定軸上倒角
取軸端倒角為1。
3.3 初選擺軸的大小
3.3.1選擇軸的材料
選擇軸的材料為45鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,其機(jī)械性能由表查=60MPa,=640Mpa,=275Mpa,=155Mpa
3.3.2初步確定軸的最小直徑
按彎曲應(yīng)力初步計算軸的最小直徑.
查手冊知其
所以最大彎距
由公式：最小直徑
因軸中間安裝軸承，故軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計為直徑中間大兩頭小的的階梯軸，外伸端軸徑最小，向內(nèi)逐漸增大。左軸承用軸肩和套筒固定，右軸承用套筒和緊固螺母固定，兩軸承的周向固定采用過盈配合。
3.3.2.1 擺軸軸承
由圖3-2可知擺軸的結(jié)構(gòu)和主傳動軸的結(jié)構(gòu)類似，因此擺軸上選用與主軸一樣的軸承，從而確定了擺軸上C段的直徑為35mm，初步確定C段的長度為39mm。
3.3.2.1確定軸段直徑和長度
因左端軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位。查表GB297-64，選擇單列圓錐滾子軸承7107E，故=35mm，T=18mm,D=62mm,=48mm。=42mm，初步確定B端長度為10mm。
3.3.2.2確定軸段直徑和長度
因右端軸承采用圓螺母鎖緊，根據(jù)軸承的尺寸要求查表GB812-76初步確定圓螺母為M331.5，，m=10,=20mm，左端開長度為5mm的退刀槽。
④初選A段直徑為30mm，長度為15mm。
至此已初步確定擺軸各段長度和直徑。
3.4液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計
（1）選擇液壓缸的類型：選擇活塞式液壓缸
選擇液壓缸的安裝方式：頭部法蘭型
（2）液壓缸體尺寸計算
缸內(nèi)徑D:
公式 D= ;
F——液壓缸推力（kN）,F=10kN
P——選定的工作壓力（MPa）查手冊知p=2.3Mpa
所以D=3.57=74.4mm
經(jīng)圓整后取內(nèi)徑D為75mm.
活塞桿直徑:
由公式：d;
其中為活塞桿的許用應(yīng)力，選用45號碳素鋼，取120Mpa.
d=17mm
又上式可得活塞桿的直徑只需大于17mm即可，
由液壓鋼的結(jié)構(gòu)選取活塞桿的直徑為50mm
3.5 裝配圖及主要零件圖設(shè)計
3.5.1 裝配圖草圖
圖3-2 試驗機(jī)草圖
3.5.2零件圖
圖3-3 擺軸
圖3-4 主傳動軸
圖3-5 液壓缸體
圖3-6 缸蓋液壓
4 零件校核
4.1求軸上載荷
首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)畫出軸的計算簡圖。在確定軸承的支點位置時，應(yīng)從手冊中查取a值。對于7207型圓錐滾子軸承，由手冊中查的a=13.5mm，因此作為簡支梁的軸的支承跨距為89.5mm。根據(jù)軸的計算簡圖作出軸的彎矩圖、扭矩圖和計算彎矩圖。
力簡圖如下：
圖4-1 軸的受力簡圖
4.2校核軸的強(qiáng)度
4.2.1畫受力簡圖
畫軸空間受力簡圖，將軸上作用力分解水平面受力圖和垂直面受力圖。分別求出水平面上的支反力和垂直面上的支反力。對于零件作用與軸上的分布載荷或扭矩（因軸上零件如聯(lián)軸器有寬度）可當(dāng)作集中力作用于軸上零件的寬度中點。對于支反力的位置，隨軸承類型和布置方式的不同而異。
4.2.2求作用在軸上的支反力
已知
Nmm
4.2.3校核軸的強(qiáng)度
從應(yīng)力集中對軸的影響來看，截面B處引起的應(yīng)力集中最重要；從受載情況來看，B處所受彎矩最大。因此該軸只須校核截面B左右兩側(cè)即可。
左側(cè)：
抗彎截面模量
抗扭截面模量
截面B左側(cè)的彎矩
截面B上的扭矩 T=87542Nmm
截面B上的彎曲應(yīng)力
截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力
查表得 ,[s]取1.5
;
右側(cè)：
抗彎截面模量
抗扭截面模量
截面B右側(cè)的彎矩
截面B上的扭矩 T=87542Nmm
截面B上的彎曲應(yīng)力
截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力
查表得
綜上可得：此軸達(dá)到強(qiáng)度要求。
4.3主動軸上軸承的校核
根據(jù)工況，初選7207。查機(jī)械設(shè)計手冊得
e=0.37 Y=1.6 ,
畫軸承受力簡圖計算
① 計算派生軸向力
查表的7207型軸承的派生力為：S=R/（2Y）
N
N
② 計算軸承所受的軸向負(fù)荷
因為
所以
③ 計算當(dāng)量動負(fù)荷
④ 軸承壽命的計算
因 故按軸承2計算軸承壽命
4.4擺軸的校核
（1）求軸上載荷
首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)畫出軸的計算簡圖。在確定軸承的支點位置時，應(yīng)從手冊中查取a值。對于7107型圓錐滾子軸承，由手冊中查的a=13.5mm，因此作為簡支梁的軸的支承跨距為50.5mm。根據(jù)軸的計算簡圖作出軸的彎矩圖、扭矩圖和計算彎矩圖。
圖4-2 軸彎矩圖、扭矩圖和計算彎矩圖
（2）按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
①畫受力簡圖
畫軸空間受力簡圖，將軸上作用力分解水平面受力圖和垂直面受力圖。分別求出水平面上的支反力和垂直面上的支反力。對于零件作用與軸上的分布載荷或扭矩（因軸上零件如聯(lián)軸器有寬度）可當(dāng)作集中力作用于軸上零件的寬度中點。對于支反力的位置，隨軸承類型和布置方式的不同而異。
②計算軸上支反力
已知
③校核軸的強(qiáng)度
由彎矩圖可以看出截面C所受彎曲應(yīng)力最大，因此只須校核C處的彎曲應(yīng)力。
抗彎截面模量：
4.5擺軸上軸承的校核
根據(jù)工況，初選3007107。查機(jī)械設(shè)計手冊得
X=0.4 Y=2
畫軸承受力簡圖計算
①計算派生軸向力
查表的7107型軸承的派生力為：S=R/（2Y）
②計算軸承所受的軸向負(fù)載
因為
所以軸承2被壓緊，軸承1被放松
因此
③計算當(dāng)量動負(fù)荷
軸承1
4=37214N
⑤ 軸承壽命的計算
因 故按軸承2計算軸承壽命
至此校核全部結(jié)束，零件全部符合要求。
結(jié)論
本課題所設(shè)計的人工關(guān)節(jié)模擬試驗機(jī)能夠正確模擬人體髖關(guān)節(jié)的實際運(yùn)動工況，以使試件在試驗過程中產(chǎn)生的摩擦機(jī)理、磨損形式與實際使用條件下相一致，從而可以準(zhǔn)確可靠地測試人工關(guān)節(jié)材料的生物摩擦學(xué)特性參數(shù)，為臨床應(yīng)用提供指導(dǎo)性試驗數(shù)據(jù).本次設(shè)計中的液壓系統(tǒng)和機(jī)械傳動部分均已經(jīng)在裝配圖中標(biāo)出，溫控裝置是模擬在一個恒溫的密封容器內(nèi)進(jìn)行的，模仿的是人體恒溫的原理，在裝配圖中未進(jìn)行標(biāo)出。
致 謝
本文是在指導(dǎo)老師黃傳輝博士的悉心指導(dǎo)下完成的，從論文的選題、開展、定稿到最后的結(jié)果，指導(dǎo)老師都付出了相當(dāng)?shù)木托难?，并給予了很大的支持和幫助。在學(xué)習(xí)期間，作者不僅感受到了導(dǎo)師極好的人格魅力，也不斷地為他的學(xué)識、工作風(fēng)格、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)精神所折服。在此向指導(dǎo)老師致以深深的謝意。
老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的知識以及勤奮的工作作風(fēng)將使本人以后的人生受益匪淺。正是由于老師在這一學(xué)期內(nèi)對本人細(xì)心、耐心的指導(dǎo)，并對設(shè)計質(zhì)量嚴(yán)格要求，使本人能夠順利的完成畢業(yè)設(shè)計，在本文完成之際，謹(jǐn)在此向我所敬愛的老師們致以深深的謝意！同時04機(jī)本2班的同學(xué)們在設(shè)計期間也給予我無私的幫助。在此我衷心的感謝：感謝我敬愛的老師們，感謝04機(jī)本2班的同學(xué)們！
最后，對在百忙之中抽出時間關(guān)心我設(shè)計的機(jī)電學(xué)院黃傳輝博士的指導(dǎo)和幫助。機(jī)電系教研室李志老師也對課題的展開和工作給予了很大的關(guān)心和支持。在此作者向以上諸位老師和所有關(guān)心幫助過我的老師和同學(xué)一并致以誠摯的謝意。
參考文獻(xiàn)
[1]. 葛世榮, 熊黨生, 王紀(jì)湘. 人工關(guān)節(jié)的摩擦學(xué)問題及其研究